数控直流电流源.docx

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数控直流电流源

毕业设计报告（论文）

题目：

数控直流电流源

所属系电子工程系

专业自动化

学号01208313

姓　　名

指导教师吴春红

起讫日期2012.2---2012.5

设计地点东南大学成贤学院

东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）

诚信承诺

本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。

如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。

学生签名：

日　　期：

数控直流电流源

摘要

本系统是以直流恒流源为核心，STC12C5A16AD单片机为系统主控制器，通过键盘来步进调整电流源的输出电流，该电流源具有电流可预置，1mA步进，步进电流≤10mA，由数码管直观显示输出电流值，电流输出范围为100mA～300mA。

该系统由主控制器输出数字量，经过TLC5615数模转换之后，输出模拟电压，经过运算放大器隔离放大之后，控制TIP122功率管的基极电压，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。

另外，单片机还同时对输出电流进行实时监控。

电流源的输出电流经过热稳定较好的采样电阻后，完成了电流/电压转换。

采样电阻上的电压经过同相放大之后，通过单片机完成模/数转换分析处理。

通过该反馈环节，可以使电流源的输出电流更加稳定，以形成稳定的压控电流源。

关键词：

STC12C5A16AD；TLC5615；TIP122;恒流源

NumericalControlledConstant-CurrentSource

Abstract

InthesystemtheDCcurrentsourceisthecentre,andSTC12C5A16ADversionsinglechipmicrocomputerismaincontroller.OutputcurrentofDCpowercanbesetbythekeyboard，thecurrentsourcehasthecurrentpreset,1mAstepandstepintothecurrentthan10mA,bydigitaltubevisualdisplayoutputcurrentvalue,currentoutputfor100mA~300mA.Thedigitallyprogrammablesignalismadebythecentralcontroller,whichconvertedtotheanalogvoltageaftertheDigital-to-AnalogofTLC5615.Thentheanalogvoltagewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofTIP122,andthecurrentoftheemittervarieswiththechangeofthebase’svoltage.Otherwise,theoutputcurrentcanbemonitoredbytheMCUreal-timely.Thecurrent-to-voltageconversioniscompletedwhenthecurrentpassthroughthesamplingresistorwhosethermalstabilityisverywell.Atthesametime,theDACisachievedbytheTLC5615afterthephaseamplificationofthevoltageonsamplingresistor.AndthentheMCUwillanalyseandprocessthedata.Theoutputcurrentcanbemorestablebythefeedbackloopsothatastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.

Keywords:

STC12C5A16AD；TLC5615；TIP122；Constantcurrentpower

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章引言1

1.1电流源简介1

1.2发展的背景及趋向1

1.3问题提出2

1.4数控直流电流源的可行性2

第二章系统设计3

2.1设计要求3

2.2总体设计方案论证与比较3

2.2.1恒定电流源模块方案3

2.2.2控制器模块方案3

2.2.3显示器模块方案4

2.2.4键盘模块方案4

2.2.5电源模块方案4

2.3系统组成4

第三章单元电路设计6

3.1控制器电路设计6

3.1.1单片机STC12C5A16AD芯片性能介绍6

3.1.2单片机STC12C5A16AD功能引脚介绍6

3.1.3单片机STC12C5A16AD最小系统8

3.2数模装换电路设计8

3.2.1TLC5615芯片介绍8

3.2.2TL431概述9

3.3显示器电路设计10

3.4恒定电流源电路设计10

3.5稳压电源电路12

第四章软件设计13

4.1软件设计流程图13

4.2软件源程序：

14

第五章系统测试18

5.1测试使用的仪器18

5.2指标测试和测试结果18

5.2.1步进调整测试18

5.2.2输出电流测试18

5.2.3负载阻值变化测试18

5.2.4纹波电流测试18

5.2.5结论18

结语20

致谢21

参考文献22

附录123

附录224

第一章引言

1.1电流源简介

电流源，即理想电流源，是从实际电源抽象出来的一种模型，其端钮总能向外提供一定的电流而不论其两端的电压为多少，电流源具有两个基本的性质：

第一，它提供的电流是定值I或是一定的时间函数I（t）与两端的电压无关。

第二，电流源自身电流是确定的，而它两端的电压是任意的。

由于内阻等多方面的原因，理想电流源在真实世界是不存在的，但这样一个模型对于电路分析是十分有价值的。

实际上，如果一个电流源在电压变化时，电流的波动不明显，我们通常就假定它是一个理想电流源。

由于电流源的电流是固定的，所以电流源不能断路，电流源与电阻串联时其对外电路的效果与单个电流源的效果相同。

1.2发展的背景及趋向

1.2.1发展的背景

随着电子技术的发展，电子产品的智能化、数字化已经成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

电子设备的性能的好坏，首先离不开稳定的工作电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，设备的寿命就越长；直流电源作为实验室、工业产品生产调试的常用设备，有着广泛的应用，而传统的直流稳压稳流电源输出是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小。

这种直流电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电位构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压稳流的功能，而且没有上述的缺点。

随着信息化产业及高科技技术的不断发展和进步，对各类仪器的高精度、稳定性、可靠性等要求越来越严格，尤其在用途极为广泛的电流源方面要求更为增强。

信息化的核心在于信息技术应用，信息化与工业化融合还要将重点放在信息技术应用的推广上，加快信息技术在工业制造、资源能源供给、创新活动等环节的应用，推动企业生产经营流程再造和重组，提高资源使用效率和节能减排水平。

然而在使得信息通信业顺利发展的过程中，电流源是或不可缺的，同时对电流源技术上的要求也将大大提高。

尤其是对它高精度、高速化、高可靠性、智能化等方面的要求大为增加。

1.2.2国内外的发展趋向

电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面广、更新换代快的产品。

现今已经广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航天、航空、国防、教育等领域。

在信息时代上，上述各行业都在迅猛发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求，如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠等。

这就迫使电源工作者在电源的研发过程中不断探索，并利用各种相关技术，做出合格的电源产品，以满足各行各业的需求。

显然，电源技术的发展将带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动电源产业的发展。

当前在电源产业占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源等。

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。

而整个稳压过程中是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。

然而这种传统的直流稳压电源功能简单，不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通的直流稳压电源品种很多，但均存在以下两个问题：

1）输出电压是通过粗调及细调来调节。

这样，当输出的电压需要精确时，或需要在一个小范围内改变时，困难比较大。

另外，随着时间的增长，开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

2）稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载进行限流或截流保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足，并且数控直流电源与传统稳压电源相比具有操作方便、电压稳定、精度高的特点。

它纹波电压低，电压调节精确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。

电路大部分使用集成电路，从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。

近几年，国内外高频、高效、低压、大电流、标准化是开关电源的发展趋势，在封装结构上正朝着薄型和超薄型方向发展。

说起高效化，应用各种软开关技术大大地提高模块在低输出时的效率，而效率提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。

这类模块是当今世界上模块发展的潮流，必将得到广泛应用，随着器件性能的改变，电源效率即将达到92%（5V）、90%（3.3V）。

1.3问题提出

电流源作为常用的电子仪器，在学校和研发检测部门都有着相当广泛的应用，特别是在电路原理实验和电子元件老化试验中都离不开它。

传统的直流电流源通常采用电位器和波段开关来实现电压调节电流，并由电流表指示电流值的大小。

另外，传统的电流源还有功能简单、调整精度不高、读数欠直观、不易调准、电位器也易磨损、体积大等缺点。

而基于单片机控制的直流电流源不仅能较好地解决以上传统稳压电源的不足，并且能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，而且实现了直流稳流的功能。

1.4数控直流电流源的可行性

由于单片机技术的不断发展和D/A元件的普及，使得数控电源成为可能，数控电源不仅在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。

另外，SMT技术飞速发展，使得电源体积大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。

第二章系统设计

2.1设计要求

题目要求设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

其技术要求如下：

（1）输出电流范围：

100mA～300mA；

（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10mA；

（3）自制电源；

（4）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

（5）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；

（6）纹波电流≤2mA。

2.2总体设计方案论证与比较

2.2.1恒定电流源模块方案

方案一：

采用开关电源的开关恒流源。

其组成方框图如图2.1所示。

图中C1、C2为滤波电容；K是开关器件；D是续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；KF是电流反馈电路；R0是电流取样电阻。

在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。

采用开关电源的开关恒流源主要特点是：

振荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。

图2.1采用开关电源的开关恒流源组成框图

方案二：

采用集成稳压器构成的开关恒流源。

图2.2所示的是三端集成稳压器构成的开关恒流源。

当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流，当Ro发生变化时，由IC的输入——输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。

图2.2采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图

综上所述，采用方案二，使用LM317等构成一个恒流源电路。

2.2.2控制器模块方案

方案一：

采用FPGA作为系统的控制模块。

FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大、稳定性强、易于调试和进行功能扩展。

FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。

但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。

方案二：

采用STC12C5A16AD作为控制模块核心。

单片机最小系统简单、容易制作、算术功能强、软件编程灵活，可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便实现程序的更新，自由度大，较好地发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析，选择方案二,利用STC12C5A16AD单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。

输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出，以此提高输出的精度和稳定性。

器件的D/A转换器选用优质D/A转换芯片TLC5615C，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍。

2.2.3显示器模块方案

方案一：

使用LED数码管显示。

数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。

但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。

方案二：

使用LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。

采用LCD1602汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

2.2.4键盘模块方案

方案一：

采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线。

每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二：

采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。

2.2.5电源模块方案

系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为300mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，再外对LM7812加功率管构成扩流电路,达到可以提供3A以上的电流。

利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

2.3系统组成

经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如下图所示：

图2.3系统组成框图

第三章单元电路设计

3.1控制器电路设计

本系统的控制器选用STC12C5A16AD单片机，是STC系列单片机的其中一款自带A/D装换功能，进过设计前的准备和收集的资料设计出可靠的硬件电路。

3.1.1单片机STC12C5A16AD芯片性能介绍

STC12C5A16AD系列主要性能：

●高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍

●宽电压：

5.5～3.3V，2.2～3.6V（STC12LE5A60S2系列）

●增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）

●增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP

●低功耗设计：

空闲模式，（可由任意一个中断唤醒）

●低功耗设计：

掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒

●工作频率：

0～35MHz，相当于普通8051：

0～420MHz

●时钟：

外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置

●8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上

●1280字节片内RAM数据存储器

●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上

●ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器

●8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用

●2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），---也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）

●4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器

●可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟

●硬件看门狗（WDT）

●高速SPI串行通信端口

●全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口

●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令

●通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA

3.1.2单片机STC12C5A16AD功能引脚介绍

图3.1STC12C5A16AD管脚图

●P0口既可作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。

当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。

当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线[A0-A7],数据线的[D0-D7]。

●P1.0-P1.7标准I/O口PORT1[0]-PORT1[7]

●ADC0-ADC7ADC输入通道0-7

●CLKOUT2独立波特率发生器的时钟输出可通过设置WAKE_CLKO[2]位/BRT-CLKO将该管脚配置为CLKOUT2

●ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚

●RXD2第二串口数据接收端

●CCP0外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出

●TXD2第二串口数据发送端

●MISOSPI同步串行接口的主出从入（主器件的输出和从器件的输入）

●SCLKSPI同步串行接口的时钟信号

●P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8-A15）。

当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。

●P3.0-P3.7标准I/O口PORT3[0]-PORT3[7]

●RXD串口1数据接收端

●TXD串口1数据发送端

●/INT0外部中断0，下降沿中断或低电平中断

●/INT1外部中断1，下降沿中断或低电平中断

●T0定时器/计数器0的外部输入

●/INT定时器0下降沿中断

●CLKOUT0定时器/计数器0的时钟输出可通过设置WAKE_CLKO[0]位/TOCLKO将管脚配置为CLKOUT0

●/WR外部数据存储器写脉冲

●/RD外部数据存储器读脉冲

●P4.0-P4.7标准I/O口PORT4[0]-PORT4[7]

●/SSSPI同步串行接口的从机选择信号

●ALE地址锁存允许

●EX_LVD外部低压检测中断/比较器

●RST2第二复位功能脚

●RST复位脚

●P5.0-P5.3标准I/O口PORT5[0]-PORT5[3]

●XTAL1内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。

当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。

●XTAL2内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一个引脚。

当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。

●VCC电源正极

●GND电源负极，接地

3.1.3单片机STC12C5A16AD最小系统

通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。

最小系统的核心为STC12C5A16AD，为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的引脚用接口引出，电路如图3.2所示。

图3.2由STC12C5A16AD为核心的单片机最小系统

3.2数模装换电路设计

自动控制领域是单片机应用的一个重要的领域，而在自动控制的应用中，被控对象有些事需要模拟量进行控制和调整的，这样单片机就要将处理后的数字量转换为模拟量，用变换后的模拟量对被控系统进行的控制和调整，数模转换器主要是应用在这一领域的器件。

3.2.1TLC5615芯片介绍

TLC5615是一个串行10位DAC芯片，性能比早期电流型输出的DAC要好。

只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。

其主要特点如下：

●单5V电源工作；

●3线串行接口；

●高阻抗基准输入端；

●DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压；

●上电时内部自动复位；

●微功耗，最大功耗为1.75mW；

●转换速率快，更新率为1.21Mhz；

小型（D）封装TLC5615CD和塑料DIP（P）封装TLC5615CP的工作温度范围均为0℃-70℃；

其引脚功能：

8脚直插式TLC5615的引脚分布如图3.3所示，各引脚功能如下：

●DIN，串行二进制数输入端；

●SCLK,串行时钟输入端；

●/CS，芯片选择，低有效；

●DOUT,用于级联的串行数据输出；

●AGND,模拟地；

●REFIN,基准电压输入端；

●OUT，DAC模拟电压输出端；

●Vdd，正电源电压端。

图3.3TLC5615引脚图

3.2.2TL431概述

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Vref9（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表、运放电路、可调压电源，开关电源等等。

特点：

●可编程输出电压为36V；

●电压参考误差：

±0.4%；

●低动态输出阻抗，典型0.22%；

●负载电流能力